Thermisches Regime der Erde
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Geothermie Springer Geology Für weitere Bände: http://www.springer.com/series/10172 Ingrid Stober · Kurt Bucher Geothermie 123 Ingrid Stober Universität Freiburg Institut für Geowissenschaften Albertstr. 23b 79104 Freiburg Deutschland [email protected] Prof. Dr. Kurt Bucher Universität Freiburg Institut für Geowissenschaften Albertstr. 23b 79104 Freiburg Deutschland [email protected] ISBN 978-3-642-24330-1 e-ISBN 978-3-642-24331-8 DOI 10.1007/978-3-642-24331-8 Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com) Einleitung Die Geothermie bietet eine nahezu unerschöpfliche Quelle zur Wärmebereitstellung und zur Erzeugung von Strom. Geothermie ist klimaschonend und grundlastfähig. Sie ist unabhängig vom Wetter rund um die Uhr verfügbar. Geothermie trägt zur regionalen Wertschöpfung bei und macht unabhängig von fossilen Brennstoffen, bzw. hilft diese zu schonen. Da die tiefe Geothermie die gleichzeitige Produktion von Wärme und Strom erlaubt, trägt sie zu einer zukunftssicheren, effizienten Wärme- und Stromversorgung bei. Die entnommenen Tiefenwässer werden wieder in das Reservoir zurückgeführt, so dass das natürliche Gleichgewicht erhalten bleibt und ein nachhaltiger reservoirschonender Umgang gewährleistet ist. GeothermieAnlagen zeichnen sich durch einen geringen Flächenverbrauch aus; die optische Beeinträchtigung in der Landschaft ist dadurch minimal. Strom aus geothermischen Energiequellen kann zukünftig einen wichtigen Beitrag zur Deckung der Grundlast liefern und damit fossil betriebene Großkraftwerke ersetzen. In den vergangenen Jahren wurde die Technologie zur Energieerzeugung im Niedertemperaturbereich weiterentwickelt und zahlreiche technische Fortschritte auch auf diesem Sektor erreicht. Die Tiefengeothermie kann zur energetischen Grundversorgung einen großen Beitrag liefern. Dazu sind EGS (Enhanced Geothermal Systems) notwendig, denn nur sie sind nahezu überall machbar. EGS muss daher weiterentwickelt werden. Demonstrationsprojekte sind erforderlich. Insbesondere die Grundlastfähigkeit macht die Geothermie zum festen Bestandteil und Partner auch anderer langfristig angelegter Energieszenarien. Durch geschickte Kombination mit anderen Formen der erneuerbaren Energien können sich bedeutende Synergieeffekte ergeben. Erste Projekte im Wohnungsbereich, bei denen Erdwärmesonden mit Solarthermie kombiniert sind, zeigen eine sehr hohe energetische Effizienz. Aber auch Projekte aus der tiefen Geothermie wie beispielsweise die Kombination von hydrothermaler Dublette mit Biogas zur thermischen Anhebung oder die Benutzung des tiefen Reservoirs als „aufladbare Batterie“ zeigen neue Wege für die Städte-Planung auch im Objektbereich auf. Mit diesem Buch wollen wir einen Einblick in dieses spannende Thema der Geothermie geben. Wir sind auf die Weiterentwicklung, auf neue Projekte und neue Synergieeffekte in den nächsten Jahren gespannt und wünschen uns allen eine sichere, umweltschonende Wärme- und Energieversorgung. Wir hoffen mit dem vorliegenden Buch dazu einen kleinen Beitrag leisten zu können. V Inhaltsverzeichnis 1 Thermisches Regime der Erde . . . . . . . . . . . . 1.1 Erneuerbare Energien, Globaler Status . . . . 1.2 Aufbau der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Energiedargebot der Erde . . . . . . . . . . . 1.4 Wärmetransport und thermische Parameter . . 1.5 Kurzer Abriss von Methoden zur Bestimmung thermischer Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 8 10 . . . . . . . . 14 2 Geschichte geothermischer Energienutzung . . . . . . . . . . . . 2.1 Frühe geothermische Nutzungen . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Geothermische Nutzungen in der späteren Neuzeit . . . . . . 17 18 23 3 Geothermische Energie-Ressourcen . . . . . . . . . . 3.1 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Bedeutung der Erneuerbaren Energien . . . . . 3.3 Status der Nutzung der geothermischen Energie 3.4 Geothermische Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 28 29 31 32 4 Geothermische Nutzungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . 4.1 Oberflächennahe geothermische Energienutzung . . . 4.2 Tiefe geothermische Energienutzung . . . . . . . . . 4.3 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Bedeutende Geothermie-Felder, Hochenthalpie-Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 36 42 51 54 5 Potentiale und Perspektiven geothermischer Energienutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 6 Erdwärmesonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Planungsgrundsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Bau von Erdwärmesonden . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Auslegung von Erdwärmesonden . . . . . . . . . . 6.3.1 Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Thermische Parameter und Programme für die Auslegung von Erdwärmesonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 66 66 72 73 . . . . . 77 VII VIII Inhaltsverzeichnis 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Bohrverfahren für Erdwärmesonden . . . . . . . . . . 6.4.1 Direktspülverfahren . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Imlochhammerbohrverfahren . . . . . . . . 6.4.3 Abschließende Hinweise, Bohrrisiken . . . Hinterfüllung/Verpressung von Erdwärmesonden . . . Bau von Erdwärmesonden mit Überlänge . . . . . . . Potentielle Risiken, Fehler und Schäden bei Erdwärmesonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Nutzungssysteme und Weiterentwicklungen 6.8.1 Erdwärmesonden-Felder . . . . . . . . . . 6.8.2 Erdsonden und Kühlung . . . . . . . . . . 6.8.3 Kombination Solarthermie/Erdwärmesonden 6.8.4 Vermessung von Erdwärmesonden . . . . . 6.8.5 Erdwärmesonden mit Phasenwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 87 91 92 96 100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 103 104 105 106 107 112 . . . . . . . . . . . . . . . . 117 118 121 122 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 128 . . . . . . . . . 131 . . . . . . 7 Geothermische Brunnenanlagen . . . . . . . . . . . . 7.1 Bau von Grundwasserbrunnen . . . . . . . . . . 7.2 Wasserqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Thermischer Einflussbereich, Modellrechnungen 8 Hydrothermale Nutzung, Geothermische Dublette 8.1 Geologischer und tektonischer Bau . . . . . 8.2 Thermische und hydraulische Eigenschaften des Nutzhorizontes . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Hydraulische und thermische Reichweite geothermischer Dubletten . . . . . . . . . . 8.4 Hydrochemie heißer Wässer aus großer Tiefe 8.5 Ertüchtigungsmaßnahmen, Stimulation . . . 8.6 Fündigkeit, Risiko, Wirtschaftlichkeit . . . . 8.7 Beispiele hydrothermaler Anlagen . . . . . 8.8 Projektierung hydrothermaler Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 142 146 147 154 159 9 Enhanced-Geothermal-Systems (EGS), Hot-Dry-Rock Systeme (HDR), Deep-Heat-Mining (DHM) . . . . . . . 9.1 Verfahren, Vorgehen, Ziele . . . . . . . . . . . . 9.2 Geschichte, erste HDR-Verfahren . . . . . . . . . 9.3 Vorgehen bei der Stimulation . . . . . . . . . . . 9.4 Erfahrungen und Umgang mit der Seismizität . . . 9.5 Empfehlungen, Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 165 166 167 172 173 10 Potentielle Umweltauswirkungen bei der Tiefen Geothermie 10.1 Seismizität und Tiefe Geothermie . . . . . . . . . . . . 10.1.1 Induzierte Erdbeben . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 Erdbebenskalen . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.3 Die Ereignisse von Basel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 179 181 183 184 Inhaltsverzeichnis IX 10.1.4 10.1.5 . . 187 . . . . . . 190 193 195 11 Bohrtechnik für Tiefbohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 12 Geophysikalische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Geophysikalische Vorerkundung, Seismik . . . . . . . . . . 12.2 Geophysikalische Bohrlochmessungen und Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 218 13 Hydraulische Untersuchungen, Tests . . . . 13.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Testarten, Planung und Durchführung, Auswerteverfahren . . . . . . . . . . . 13.3 Tracerversuche . . . . . . . . . . . . . 13.4 Temperaturauswerteverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 230 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 245 247 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 252 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 262 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10.2 10.3 Seismische Beobachtungen bei EGS-Projekten . Folgerungen und Empfehlungen für hydrothermale und petrothermale Nutzungen (EGS) . . . . . . . . . . . . . . . . Auswirkungen durch und auf den Untergrund . . . . . . . Übertägige Auswirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Hydrochemische Untersuchungen . . . . . 14.1 Probennahme und Analytik . . . . . 14.2 Wichtigste Untersuchungsergebnisse und Interpretationen . . . . . . . . . 14.3 Ausfällungen, Korrosion . . . . . . . 224 Kapitel 1 Thermisches Regime der Erde Vulkano bei Sizilien I. Stober, K. Bucher, Geothermie, Springer Geology, C Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 DOI 10.1007/978-3-642-24331-8_1, 1 2 1 Thermisches Regime der Erde 1.1 Erneuerbare Energien, Globaler Status In einer Presseerklärung (IGA News No. 76, 2009, www.geothermal-energy.org) des “Renewable Energy Policy Network for the 21st Century” steht, dass die Erneuerbaren Energien weltweit im Jahr 2008 gegenüber 2007 um 16% auf 280.000 MW angestiegen sind. In Europa und den USA stieg erstmalig der Anteil an Erneuerbaren Energien stärker an als derjenige konventioneller Energien. In weit über 60 Ländern werden mittlerweile die Erneuerbaren Energien politisch und finanziell unterstützt. Den größten Anteil an der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien hatte im Jahre 2008 die Große Wasserkraft mit 860 GWel inne, gefolgt von der Windkraft mit 121 GWel , der Kleinen Wasserkraft mit 85 GWel und der Biomasse mit 52 GWel . Mit größerem Abstand folgen Photovoltaik (13 GWel ) und die Geothermie mit 10 GWel . Bei der Erzeugung von thermischer Energie ist die Biomasse mit 250 GWth führend, dann folgen die Solarthermie für Warmwasseraufbereitung oder Heizen mit 145 GWth und die Geothermie mit etwa 50 GWth (Bertani 2005, 2010). Unter den erneuerbarer Energiequellen könnte der Geothermie eine besondere Rolle zukommen, denn sie ist praktisch überall vorhanden und regeneriert sich kontinuierlich. Ihr Potenzial ist nahezu unbegrenzt. Die Wärme- und Stromgewinnung ist kontinuierlich abrufbar und damit grundlastfähig. Die Nutzung geothermischer Energie ist umweltfreundlich und der übertägige Platzbedarf ist gering. Inwieweit sich diese positiven Erwartungen auch in Regionen mit ausschließlich Niedrigenthalpie-Vorkommen umsetzen lassen, werden die kommenden Jahre zeigen. 1.2 Aufbau der Erde Geothermie ist die in der Erde gespeicherte Wärmeenergie; Geothermie ist Erdwärme. 99% der Erde sind heißer als 1000◦ C; 0,1% der Erde sind kälter als 100◦ C. Die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche beträgt 14◦ C. Auf der Sonne sind es etwa 5800◦ C, was in etwa der Temperatur im Erdkern entspricht (Abb. 1.1). Unsere Erde ist schalenförmig aufgebaut (Abb. 1.1). Unter der sehr dünnen Erdkruste folgt der Erdmantel und im Zentrum unserer Erde befindet sich der Erdkern, der außen flüssig, innen aber fest ist. Das war nicht immer so. Ganz zu Beginn der Geschichte unseres Planeten bestand die Erde vermutlich durchgehend etwa aus demselben homogenen Material. Erst einige hundert Millionen Jahre später erfolgte während der weiteren Entstehungsgeschichte eine Reorganisation und Differentiation zu einem geschichteten, in einzelne radiale Zonen aufgebauten Körper. Im Erdkern, dem Zentrum unseres Planeten, liegt das dichteste und damit schwerste Material; die Erdkruste besteht aus dem leichtesten Material, d. h. Materialien mit den geringsten Dichten. Der Erdmantel dazwischen besitzt eine mittlere 1.2 Aufbau der Erde 3 Abb. 1.1 Aufbau der Erde Dichte. In Abb. 1.1 ist die jeweilige Dicke der einzelnen Schichten, die Schichtmächtigkeit, eingetragen. Die Abbildung zeigt, dass der Erdkern, mit etwa 2250 km außen und 1220 km innen, etwas mächtiger ist als der Erdmantel (2860 km) und sich über mehr als die Hälfte des Erdradius erstreckt. Am Gesamtvolumen der Erde macht der Erdkern jedoch nur etwa 16% aus. Aufgrund der hohen Dichte verfügt er allerdings über fast 32% der Erdmasse. Im Inneren Erdkern in über 6000 km Tiefe rechnet man mit Temperaturen um 5000◦ C und Drucken von bis zu 4 Millionen Bar. Der Innere Erdkern besteht aus einer festen Eisen-Nickel-Legierung, was uns an Eisen-Meteorite erinnern mag. Abbildung 1.2 zeigt einen aufgesägten Eisenmeteoriten. Auf der polierten, angeätzten Schlifffläche sind die sog. Widmanstätten Figuren erkennbar, die durch unterschiedliche Nickelgehalte hervorgerufen werden. Der Äußere Erdkern ist bei Temperaturen um 2900◦ C und entsprechend niedrigeren Drucken im Prinzip eine flüssige Eisenschmelze und daher im Zusammenwirken 4 1 Thermisches Regime der Erde Abb. 1.2 Widmanstätter Figuren in einem Eisenmeteoriten. Die Figuren werden von den beiden Mineralen Karnacit und Taenit hervorgerufen, die unterschiedliche Nickelgehalte besitzen mit der Erdrotation und seiner elektrischen Leitfähigkeit Ursache für das Magnetfeld der Erde. Die physische Bewegung von Ladungsträgern ist nichts anderes als ein elektrischer Strom, der wiederum das Magnetfeld unseres Planeten verursacht. Der Übergang zwischen Erdkern und Erdmantel ist durch eine sprunghafte Dichteabnahme gekennzeichnet, die durch den Wechsel von Eisen zu verschiedenen leichteren Mineralen verursacht wird. Der Obere Erdmantel beginnt unterhalb der Erdkruste und reicht bis in ca. 1000 km Tiefe. Innerhalb des Oberen Erdmantels befindet sich eine Schicht, die aus partiell aufgeschmolzenem Gesteinsmaterial besteht und daher eine erhöhte Fliessfähigkeit besitzt. Dadurch sind die darüber liegenden starren und spröden Platten der Erdkruste und des obersten Teils des Oberen Erdmantels beweglich. Im darunter liegenden Erdmantel gibt es riesige walzenförmige Fliessbewegungen, die bis zum Erdkern reichen, diesen aber nicht einbeziehen, denn der Erdkern ist die „Heizplatte“, er ist der eigentliche „Motor“ für die Konvektionsströme. Der sich langsam abkühlende Erdkern liefert genügend Kristallisationswärme, also Energie aufgrund der Änderung des Aggregatzustandes, um den darüber liegenden Erdmantel aufzuheizen. Der innere Motor der Erde, die Konvektionsbewegungen im Erdmantel, wird durch die Wärmequelle im Erdinneren seit der Entstehung der Erde angetrieben. Durch die thermischen Konvektionsströme bewegen sich die Platten quasi schwimmend aufeinander zu oder voneinander weg, je nachdem, ob sie sich über absinkenden Strömungen oder über aufwärts gerichteten Strömungen befinden (Abb. 1.3). Im aufsteigenden Bereich von Mantelmaterial sind die Temperaturen im 1.2 Aufbau der Erde 5 Ozeanischer Rücken Lithosphere Tiefseegraben Tiefseegraben Asthe no sp hä re Erdmantel äußerer Erdkern Innerer Erdkern Abb. 1.3 Thermische Konvektionsströme für die Plattentektonik Oberen Erdmantel höher als im absteigenden Ast einer Konvektionszelle. Beim Aufeinanderzubewegen verschiedener Platten können durch Kollision riesige Gebirge, wie die Alpen oder der Himalaya, entstehen oder Tiefseegräben, wenn eine Platte bei der Kollision unter eine andere abtaucht. Auseinander driftende Platten dehnen die Erdkruste bzw. den obersten Teil des Oberen Mantels, erzeugen Gräben, wie den Oberrheingraben, bis hin zu groß angelegten Grabenstrukturen in Ozeanböden, wie den Mittelozeanischen Rücken mit aufsteigendem heißen Erdmantelgestein, Magma (Grotzinger et al. 2008, WM 2008). Alle Plattengrenzen sind in unterschiedlichem Ausmaß durch Vulkanismus und Erdbeben geprägt. Da die Größe der Erdoberfläche weder zu- noch abnimmt, ist mit jedem Abtauchen einer Platten eine Neubildung an anderer Stelle, an einem ozeanischen Rücken, verbunden. An etlichen Stellen der Erde kommt die Natur auf diese Weise dem Menschen, der die Erdwärme nutzen möchte, weit entgegen. Das älteste und berühmteste Beispiel sind die Thermalquellen bei Larderello in der Toskana (Kap. 2). Im Nordatlantik hebt sich der Mittelozeanische Rücken an einem sog. Hot Spot über den Meeresspiegel. Er verläuft mitten durch Island. Hot Spot besagt, dass der Erdmantel an dieser Stelle besonders heiß ist, wahrscheinlich als Folge davon, dass dort Mantelmaterial aus größerer Tiefe nahe der Grenze zum Erdkern aufsteigt. Island ist also eine Insel vulkanischen Ursprungs und noch heute finden Vulkanausbrüche in schöner Regelmäßigkeit statt, wie auch jüngste Ereignisse durch den Ausbruch des Eyjafjallajokull im Frühjahr 2010 mit den Folgen der Stagnation des gesamten nordeuropäischen Flugraumes über mehrere Wochen hinweg eindrücklich belegte. Die vulkanische Tätigkeit im Yellowstone Park basiert ebenfalls auf einen riesigen Hot Spot, der relativ betrachtet den Nordamerikanischen Kontinent quert. Zahlreiche heiße Quellen, kochende Schlamm-Poole, Kohlensäure-Exhalationen 6 1 Thermisches Regime der Erde und Geysire sind im Park verteilt (Abb. 1.4). Etwa alle 600.000 Jahre wird dort ein sehr großer Ausbruch erwartet, dessen zerstörerische Reichweite bisher jeweils viele Kontinente erfasste und das Leben auf ihnen weitestgehend auslöschte. Zeitlich gesehen steht dort unmittelbar wieder ein Ausbruch bevor. Abb. 1.4 Beginn, Höhepunkt und Abklingen einer Eruption des Echinus Geysir im Norris Geyser Basin, Yellowstone Nationalpark, Wyoming, USA 1.2 Aufbau der Erde 7 Abb. 1.4 (Fortsetzung) Zur Entstehung der Kanarischen Inseln gibt es verschiedene Hypothesen, die von der Theorie eines relativ zur Lage der Inseln von Osten nach Westen wandernden Hot Spot bis zur Theorie einer Vielzahl von „Mantel Plumes“ reichen. Alle diese Hypothesen zur Kanaren-Entstehung sind jedoch wenig gesichert und z.T. widersprüchlich. Abbildung 1.5 zeigt die vulkanische Landschaft Lanzarotes; einige Abb. 1.5 Die vulkanische Landschaft Lanzarotes, Kanarische Inseln 8 1 Thermisches Regime der Erde hundert Krater prägen noch heute das Gesicht der Landschaft. Eine Vielfalt verschiedener Farben zeigen die Vulkanhügel dem Betrachter: von rot über orange, gelb, blau und Grautönen bis hin zu schwarz. An vielen Stellen auf der Insel ist das Gestein bereits direkt unter der Erdoberfläche noch so heiß, dass einsickerndes Oberflächenwasser spontan verdampft. Die letzten großen vulkanischen Ausbrüche wurden von der Besatzung der Santa Maria, dem Schiff von Christoph Columbus, als schlechtes Ohmen für die Fahrt nach Westen, der Entdeckung Amerikas, gedeutet. Der Teide auf Teneriffa (Kanarische Inseln) ist mit über 3718 m der höchste Berg Spaniens und der dritthöchste Inselvulkan der Erde. Er erhebt sich aus einer riesigen eingebrochenen Magmakammer eines älteren Vulkans (Caldera), die einen Durchmesser von etwa 17 km hatte. Die Flanken des Teide sind mit Lawaströmen verschiedener Farbnuancen, einem Anzeichen für ihr jeweiliges Alter, bedeckt. 1.3 Energiedargebot der Erde Die mittlere Temperatur der Erde an der Erdoberfläche liegt bei 14◦ C, im Erdinneren bei 5000◦ C. Da die Erde im Inneren sehr heiß außen jedoch relativ kühl ist, strömt aus der Erde ein kontinuierlicher Strom von Wärme in Richtung Erdoberfläche. Der terrestrische Wärmestrom, also die von der Erde pro Quadratmeter abgegebene Leistung (Wärmestromdichte), beträgt durchschnittlich etwa 0,065 W/m2 (65 mW/m2 ). Die Erde verliert dadurch Wärme. Aber sie gewinnt auch wieder Wärme durch die Strahlung der Sonne. Sonnenlicht ist elektromagnetische Strahlung, die im Sonneninnern durch Kernfusion entsteht und in den Weltraum abgestrahlt wird. Im Jahr trifft in Mitteleuropa eine Energiemenge von ca. 1000 kWh/m2 auf die Erdoberfläche. Die zur Erde kommende Sonnenenergie wird durch Wolken, Luft und Boden zu 30% wieder in den Weltraum reflektiert. Die restlichen 70% werden absorbiert: rund 20% von der Atmosphäre und 50% vom Erdboden. Letztere werden durch Wärmestrahlung und Konvektion wieder an die Lufthülle abgegeben. Die globale Sonneneinstrahlung liegt bei 174·1015 W. Davon werden etwa 89·1015 W von den Landmassen und Ozeanen absorbiert. Ein kleiner Bruchteil davon wird dazu benutzt, um die Erdoberfläche zu erwärmen, mit einer Eindringtiefe von einigen Dezimetern im Tagesgang und einigen 10er Metern im Jahreszyklus. Daher hat die solare Energie auf das thermische Regime der Erde nur einen kleinen Einfluss (Clauser 2006). In der Erdkruste nimmt die Temperatur im Mittel um etwa 3◦ C pro 100 m Tiefe zu. Der Wärmestrom aus der Erde, der an der Erdoberfläche gemessen wird, stammt nur zu einem kleinen Teil aus dem Erdmantel oder dem Erdkern (Abb. 1.1). Über 70% werden in der relativ dünnen Erdkruste „gebildet“ und nur knapp 30% dieses Wärmestromes kommen aus dem Erdkern und dem Erdmantel. Der über die gesamte Erdoberfläche integrierte Erdwärmestrom ergibt die eindrückliche thermische Leistung von 40 Millionen Megawatt. Der Erdwärmestrom wird durch die inneren 1.3 Energiedargebot der Erde 9 Wärmequellen der Erde gespeist: ein grosser Beitrag stammt aus dem radioaktiven Zerfall der natürlichen Radioisotope Uran (238 U, 235 U), Thorium (232 Th) und Kalium (40 K) in der Erdkruste, nämlich ∼900 EJ/a. Bei diesem Zerfall entsteht Wärme. Diese Wärme wird in der Erdkruste kontinuierlich neu gebildet. Der kleinere Beitrag stammt aus dem Erdkern: ∼300 EJ/a. Zusammen sind das ∼1200 EJ/a, die der Erde pro Jahr entströmen. Der größte Teil dieser Wärme wird in der Erdkruste kontinuierlich neu gebildet. Die Wärmeproduktion wird in Energie pro Zeit und Volumen (J/sm3 ) angegeben. Die Erdkruste ist unterschiedlich dick und stofflich sehr unterschiedlich zusammengesetzt. Sie ist unter den Kontinenten deutlich dicker als unter den Ozeanen. Unter den Kontinenten besteht sie aus sauren Gesteinen, unter den Ozeanen aus basischem Material. In sauren Gesteinen (z.B.Granit) ist die Wärmeproduktion deutlich höher als in basischen Gesteinen (z.B. Gabbro). Die Wärmeproduktion von Granit kann beispielsweise um ein Vielfaches so groß sein wie die von einem Gabbro (Tabelle 1.2). Die produzierte Wärmeenergie kann somit innerhalb der Erdkruste sehr stark differieren. Die ständige, globale Wärmeproduktion der Erde durch radioaktiven Zerfall ist in Ahrens (1995) mit 27,5·1012 W angegeben. Der Wärmestrom wird an der Erdoberfläche als Wärmestromdichte (q [J/sm2 ]) gemessen. Die Wärmestromdichte setzt sich somit aus einem quasi konstanten Strom aus dem Erdkern und Erdmantel sowie einem nicht konstanten Wärmestrom aus der Erdkruste zusammen. Die Wärmestromdichte kann sehr unterschiedlich sein; man spricht auch hier von Anomalien. Große Anomalien treten sowohl auf den Kontinenten als auch in den Ozeanen auf, insbesondere dort, wo die Wärme nicht nur thermisch durch das Gestein geleitet wird, sondern zusätzlich durch aufsteigende Fluide transportiert wird. Besonders große Anomalien hat es daher beispielsweise entlang des Mittelozeanischen Rückens oder in Vulkangebieten. Die mittlere Wärmestromdichte aus den Kontinenten und Ozeanen beträgt jeweils 65 mW/m2 und 101 mW/m2 . Das gewichtete Mittel berechnet sich daraus zu 87 mW/m2 und entspricht einem globalen Wärmeverlust der Erde von 44,2·1012 W (Pollack et al. 1993). Demgegenüber steht die ständige Wärmeproduktion der Erde durch radioaktiven Zerfall, durch Reibungswärme u.a. Netto verliert die Erde Wärme in einer Größenordnung von etwa 1,4·1012 W (Clauser 2006). Der Abkühlungsprozess der Erde ist jedoch sehr langsam, denn Berechnungen ergaben, dass die Temperatur im Erdmantel in den letzten drei Billionen Jahren sich nicht mehr als um 300–350◦ C abgekühlt hat. Verglichen mit der Größe der solaren Einstrahlung oder dem von den Landmassen und Ozeanen absorbierten Anteil der solaren Einstrahlung ist der Wärmeverlust der Erde durch die Wärmestromdichte mit 44,2·1012 W sehr gering. Die solare Einstrahlung ist etwa um den Faktor 4000 größer und der Anteil der Adsorption etwa um den Faktor 2000. Der gesamte Wärmeinhalt der Erde beträgt nach Armstead (1983) ca. 12,6 1024 MJ. Die geothermische Ressourcenbasis der Erde ist demnach riesig und omnipräsent. Sie wird jedoch kaum genutzt. Geothermische Energie ist fast überall verfügbar und gewinnbar. Die Nutzung von Geothermie ist umweltfreundlich, und geothermische Energie ist grundlastfähig.
